水下涡流场前向声散射特性分析

研究水下涡声散射特性,在目标探测和流场声成像领域具有重要意义。针对水下低马赫数涡流场前向声散射建立了数值计算方法,探究了其形态函数和指向性。首先,基于摄动声学理论给出了考虑流声耦合作用的涡声散射模型,采用时域有限差分结合完美匹配层构建了数值求解方法;随后,在算法验证的基础上,预报分析了高斯涡涡核尺寸在1~10 m,同时入射平面波无量纲波数在1~10范围内,涡流场强度对前向声散射特性的影响。结果表明,低马赫数下,声散射场具有对称性,且有明显的主瓣和指向性。其前向散射形态函数随入射波波数、涡核尺寸、涡流场强度增加而增大;主瓣方位角随波数增加而趋近入射波传播方向。      

水下低频振荡涡流场声散射调制机理与特性研究

水下涡流场对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在水下目标探测和流场声成像领域具有重要意义.针对水下低频振荡涡流场声散射调制问题建立了理论分析模型与数值计算方法,探究了其声散射调制声场的产生机理与时空频特性.首先,基于运动介质的波动方程,通过引入势函数将波动方程分解为流声耦合项和非耦合项,并对流声耦合项进行频域分析处理,揭示了水下振荡涡流场的声散射调制机理;其次,采用间断伽辽金数值方法对水下低频振荡涡流场中声传播过程进行了数值模拟,分析了低马赫数条件下,不同入射声波频率、涡流场的振荡频率和涡核尺度对涡流场声散射调制声场时空频特性的影响规律,并结合理论分析模型对其特性进行了解释.研究表明:低马赫数下,振荡涡流场对声波的散射可产生包含涡流场振荡频率双边带调制谐波的散射调制声场,且随着入射声波频率、涡核尺度的增大,散射调制声场强度增强,总散射声场空间分布具有对称性和明显主瓣,且主瓣方位角趋近于入射波传播方向;在频率比远大于1条件下,涡流场振荡频率对散射调制声场强度影响较小.     

水下稳态涡流场声传播特性

基于射线声学理论研究了水下稳态涡流场的声传播特性。首先,根据移动介质中的程函方程,推导了二维稳态涡流场的射线微分方程组,实现了声波通过涡流场的声线轨迹模拟,获取了通过不同涡流场的声信号;然后,基于稳态涡流场的声传播特性,构建了接收声信号相位与涡流场特征参数之间的映射关系,通过数值仿真反演稳态涡流场特征参数,仿真结果与理论值的相对误差在15%以内。仿真结果表明:基于射线理论可以有效模拟声信号通过涡流场的声线轨迹及信号变化,具有直观、计算效率高的优势;随着涡环量增大,涡流对声传播的影响更为明显;利用声信号相位可实现对速度分布、涡核位置、涡环量等涡流场特征参数的估计。     

水下环形凹槽圆柱体散射声场空间指向性调控

本文提出一种具有深度梯度的环形凹槽结构,可用于调控水中有限长刚性圆柱体散射声场空间指向性.基于声学相位阵列理论分析了环形凹槽圆柱声散射空间指向性改变的机理,研究表明:凹槽深度方向相位延迟和凹槽间Bragg散射的相互作用使得平面声波垂直于圆柱方向入射其正横方向散射声波发生偏转.采用有限元方法讨论了凹槽结构参数如占空比、梯度等对圆柱散射声场空间分布特征的影响规律.多个不同深度梯度环形凹槽单元组合圆柱体散射声场数值计算和实验结果显示:具有环形凹槽结构圆柱体正横方向散射声波均匀偏转到预定的空间范围内,使得圆柱体声散射场空间指向性均衡化,改变了圆柱整体的散射特征,这为水下目标声隐身设计和声波定向传播提供了新的方法.     

用物理声学方法计算界面附近目标的回波

用物理声学（KIRCHHOFF近似）方法研究界面附近目标的声散射。导出了计算形态函数或目标强度的积分表示式．所产生的散射场由三部分组成：（1）不存在界面时目标的散射场;（2）入射或散射波之一经受界面反射时的散射场,如同双站散射场;（3）目标相对于界面的镜象产生的散射场,其中入射和散射波都经受界面反射．对于一个自由界面下的刚硬球,数值比较说明本文的方法与严格的解析方法符合良好．本文提供了一种计算沉浸在海面下或躺在海底上的水下目标的回波计算方法．     

计算水下凹面目标散射声场的声束弹跳法

为了解决含有多次散射时水下目标声散射场的计算问题,提出了一种声束弹跳方法。把入射声波划分为若干声束,根据几何声学方法计算每条声束在目标表面的反射方向和能量损失,利用物理声学方法计算最后一次反射的声束所对应的面元的散射场,通过计算所有声束产生的散射场的叠加得到整个目标的散射场。计算了直角凹面圆锥体的散射声场,并对具体模型进行了水池测量实验,理论计算和实验测量结果一致。表明该方法作为一种高频近似的数值计算方法,可以计算存在多次散射时水下目标的散射声场。      

可压缩涡流场中空泡运动规律及声辐射特性研究

基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考. 关键词： 可压缩 涡流场 空泡 声辐射     

离心球对高斯波束的光散射及应用

基于广义米氏理论研究了在轴离心球对高斯波束光散射特性.入射高斯波束的波束因子用积分区域近似法计算,散射场的展开系数由矢量球面波函数的加法定理并求解边界条件得到.以离心球为模型研究了单核生物细胞对高斯波束的散射特性并给出了相关数值模拟,讨论了离心距、波束的束腰半径和核的大小对散射强度角分布和散射、消光系数的影响.     

水下任意刚性散射体对Bessel波的散射特性分析

本文利用Bessel波的谐波展开式, 采用T矩阵方法的推导思路, 建立了水下任意刚性散射体在Bessel波照射下的声散射场计算公式. 以水下刚性椭球体和两端附连半球的刚性圆柱体为例, 计算了在不同波锥角β 下的反向散射形态函数, 同时, 依据镜反射波和绕行波的干涉物理模型, 给出了预报Bessel波照射下的反向散射形态函数峰峰间隔值的计算模型. 仿真结果表明本文提出的Bessel波照射下反向散射形态函数峰峰间隔值预报方法是准确有效的, 同时也说明, 本文建立的基于T矩阵法计算水下任意刚性散射体在Bessel波束下的声散射场方法是有效的, 这拓展了T矩阵法的应用领域.     

粗糙体目标激光束散射场的互相关函数统计特征

依据高斯波束体目标散射特征,研究了粗糙体目标高斯波束散射场量的互相关函数统计特征。在激光波束入射下,通过数值方法讨论圆球类目标、不同半径、不同材料、不同入射波束极化等条件下,散射场量的互相关函数随散射角变化情况。数值计算结果表明:金属薄膜材料比非金属镀漆材料互相关函数量值要大,金属材料球体目标的后向散射互相关函数值较大,而非金属镀漆材料球体互相关函数值较小。材料表面的粗糙度和目标尺寸对互相关函数影响较大,而入射光的极化方式对相关函数有影响但影响较小。